電容式近距傳感器應(yīng)用與因素考慮

要達到高靈敏度的電容式近距感測效果，需要仔細考慮眾多因素，包括機械設(shè)計、傳感器置放位置與設(shè)計，以及終端應(yīng)用的作業(yè)環(huán)境。仔細*估各項設(shè)計考慮因素，有助于避免典型電容式近距傳感器設(shè)計經(jīng)常遭遇的建置問題。本文介紹一些近距感測常見應(yīng)用，以及能大幅增進設(shè)計成功機率的考慮要點。

何謂電容式進距傳感器？

電容式近距傳感器是一種與使用者操作接口互動的有效方法，使用者不必實際觸碰到接口控制組件，其根據(jù)的是電容式感測技術(shù)，以偵測到導電物體的存在。電容式近距傳感器為系統(tǒng)與產(chǎn)業(yè)研發(fā)業(yè)者帶來許多獨特優(yōu)勢，能有效提升組件的使用便利性與設(shè)計美感，并可提升需要在喚醒或啟動時進行設(shè)定的裝置之反應(yīng)速度。

電容式進距傳感器應(yīng)用特性

“燈光導引”概念

電容式近距傳感器為許多使用者接口系統(tǒng)帶來獨特的操控便利性。如圖1所示，近距感測功能在加入到筆記本電腦的多媒體按鍵列后，當使用者的手指或手接近筆記本電腦時，即使在昏暗環(huán)境中也能提供“燈光導引”功能，讓使用者在昏暗環(huán)境中也能很容易操作按鍵，就像是在幾乎無光線的飛機客艙中使用筆電一般。

圖1 近距燈光導引可改善在昏暗環(huán)境中的實用性

其它需要在黑暗或低光源環(huán)境中正常地運作的系統(tǒng)，也可采用“燈光導引”的概念，例如像內(nèi)部通訊用的廣播系統(tǒng)、手機、墻壁開關(guān)、以及汽車門禁系統(tǒng)等。

手機自動鎖定與解除功能

內(nèi)建觸控屏幕或電容式操作接口的手機，亦可利用電容式近距傳感器技術(shù)來提高使用可靠度。當使用者把手機拿到靠近臉頰處準備撥打或接電話時，觸控屏幕或電容式輸入接口就會自動鎖住其按鍵與功能，避免使用者誤觸手機上的結(jié)束通話按鍵。當使用者通話完放下手機時，以及解除手機的鎖定時，電容式近距傳感器亦可用來自動啟動按鍵鎖。這種功能在讓手機更容易在使用方面上扮演重要角色。

提高車用和工業(yè)安全性

近距傳感器還可用來提高汽車車窗或防護系統(tǒng)安全性。例如，當電動車窗要關(guān)閉時，一旦乘客的手靠近車窗，系統(tǒng)會偵測到手或手臂，并停止動作以避免乘客受傷。工業(yè)設(shè)備亦可利用電容式近距傳感器控制功能，獲得更高安全性。浴室設(shè)備可利用近距感測技術(shù)，使整體環(huán)境變的更安全且更有效率。水龍頭可加入近距感測功能，當手放到水龍頭下方時就自動給水，當手遠離水龍頭時，便立即關(guān)水，完全不會有浪費水的情況發(fā)生。同樣地，當手置于洗手給皂機下方時，就會自動提供洗手^^^，且當其它非導電物體靠近給皂機時也不會發(fā)生誤判而流出洗手^^^。而馬桶和垃圾筒上蓋，亦可利用電容式近距傳感器來建置免手動操作功能。

提升防盜系統(tǒng)功能

近距感測的另一個新應(yīng)用，就是防盜系統(tǒng)。電容式近距傳感器可設(shè)置于房屋四周，當屋主離開住家時就啟動警戒功能。當屋宅被竊賊入侵時，擺設(shè)在屋子適當位置的近距傳感器，就會判斷出竊賊進入屋子的位置，以及在屋內(nèi)走動的路線。這方面的信息能幫助事后調(diào)查，協(xié)助警方更快破案。移動中的非導電物體并不會觸發(fā)電容式近距傳感器，例如當屋主外出時，從墻上掉落的畫，避免進行誤判的動作追蹤。

強化液晶屏幕影像使用性

像是數(shù)字相框與液晶屏幕等有邊框的產(chǎn)品，可運用電容式近距傳感器功能來增進美觀與易用性。傳統(tǒng)的數(shù)字相框在產(chǎn)品的背面或頂部都有機械式按鍵。當使用者想要調(diào)整數(shù)字相框的設(shè)定值，或是設(shè)定要顯示的影像，其程序通常都很麻煩。運用電容式控制功能，加上相框邊框的近距感測組件，就能設(shè)計出簡便的單指操作功能，且當手指移開后，按鍵可隱藏在屏幕的邊框中。圖2顯示模擬式按鍵，以及近接感測與電容式控制按鍵之間的比較。

圖2 使用者輸入類型比較示意圖

傳統(tǒng)相框上的機械式按鍵相框邊緣使用觸控按鍵控制設(shè)計相框使用觸控按鍵及近距傳感器

傳統(tǒng)的液晶屏幕通常在邊框底部有不甚美觀的突出按鍵，或是嵌入在底部邊框的按鍵。由于屏幕并不重，因此按這些機械按鍵時，有時會讓屏幕移動，離開原來的位置。對為達成單指操作目的而言，采用機械按鍵竟成為一種阻礙。液晶屏幕越做越薄，在邊框四周的觸控按鍵，也必須具備可以搭配的優(yōu)雅及流線質(zhì)感。運用近距感測來輔助現(xiàn)有的電容式控制組件，絕對能為液晶屏幕帶來雙贏的組合。

改善藍牙無線裝置使用效能

采用藍芽技術(shù)的無線裝置，亦可藉由近距感測來獲得改善。當藍芽裝置欲切換至休眠模式，裝置通常需要經(jīng)過一段時間后，才能喚醒以及操作。運用近距感測技術(shù)，可讓“休眠中”的藍芽裝置能事先偵測到使用者即將進行的觸控動作，因此可大幅縮短使用者會用到的延遲時間。

另一項具備的優(yōu)勢是省電。當手指從搭載近距感測的裝置上移開時，裝置就能立即切換至“休眠”或省電模式。如此就不必在軟件中設(shè)定無動作時的休眠時間。要設(shè)定適合的無動作休眠時間是很難的事，因為有時若時間設(shè)太短，甚至當還在使用時裝置就會關(guān)閉電源（試想當您在寫電子郵件時，屏幕突然變暗）。同樣地，若時間設(shè)得太長，就會造成不必要的耗電。

如何提高電容式近距感測靈敏度？

要高靈敏度的電容式近距感測設(shè)計并不困難。根據(jù)產(chǎn)品的機械設(shè)計，在規(guī)劃成功的近距感測設(shè)計時，有兩個主要因素需考慮，一個是近距傳感器的面積以及傳感器接地時，和其它作用信號線路之間的耦合。一般而言，傳感器越大，耦合的寄生電容就越小，近距感測的距離與性能也就越高。

圖3 典型近距觸控感測組件示意圖

電容式近距感測組件架構(gòu)

圖3顯示一個典型的近距感測組件，包括一個線形近距感測天線和相關(guān)的電容式感測電路。近距感測天線通常在需要感測的四周空間圍成一個回路。構(gòu)成傳感器回路可達成兩個目標︰

能減少寄生電容，并“延伸”感測的區(qū)域；

應(yīng)注意近距感測天線與周圍金屬機殼或其它金屬外殼之間的距離，要盡量拉大，讓寄生耦合能減至小。

圖4顯示一個在10公分外以手指或手部接近近距感測天線，所形成的電場分布。左圖顯示當近距感測組件沒有受到金屬耦合時的電場分布，而右圖則顯示耦合效應(yīng)。

圖4 近距感測天線周圍的電場分布圖

用傳導屏蔽提高感測靈敏度

圖4顯示隨著金屬耦合增加，與手指耦合的電場就隨之減少。因此，天線與手指之間的電容就減少，導致偵測距離變短。根據(jù)金屬耦合的強度，近距感測信號最多會減少10倍。把金屬物體連結(jié)到傳導屏蔽（driven shield），能減少與近距天線之間的耦合，例如，增加手指與天線之間的內(nèi)部電容。傳導屏蔽可以維持與近距傳感器一樣的功能來減少寄生耦合。相較于其它沒有采用屏蔽的類似設(shè)計，當使用屏蔽時，偵測信號的強度可提高5倍以上。但它的偵測距離仍不及沒有金屬耦合的天線。

近距感測電路搭配特定PCB

近距感測天線與主控制器PCB是密不可分的，近距感測電路亦直接置于控制器的PCB中。應(yīng)要特別注意近距感測電路不要置于沒有接地或金屬電路的PCB，因為這樣會提高寄生耦合并降低偵測范圍。

動態(tài)調(diào)整電容式感測芯片滿足空間設(shè)計

對于某些應(yīng)用而言，并無法使用固定式近距感測天線，因為控制芯片沒有多余的I/O，或是終端裝置沒有足夠的空間來置放分散的天線線路。對于已使用電容感測的接口設(shè)計而言，電容感測按鍵或滑桿可連結(jié)在一起，建構(gòu)成一個大型近距感測器，不需要另外空出一個針腳來連結(jié)近距傳感器，這方面可運用動態(tài)調(diào)整的電容式感測芯片。然而因按鍵與滑桿和PCB電路板之間有顯著的耦合，因此連結(jié)針腳會有較高的寄生電容，使得感測范圍縮短。

運用屏蔽電極亦能有效降低寄生電容。若沒有足夠空間來放置外部天線，并穩(wěn)固地置于產(chǎn)品周圍，固定式近距感測組件仍可提供理想效能，不必擔心天線組裝的問題。

采用韌體設(shè)計提升感測效能

采用電容式控制器韌體，可顯著提升近距傳感器效能。可從一段時間中由近距感測路徑所算出的幾個電容式信號來平均，以達到更遠的偵測距離。這顯然會影響近距傳感器的反應(yīng)速度。仔細檢驗，就能找出許多最佳的平均時間與偵測距離組合。

降低LCD噪聲與電磁干擾

LCD噪聲與電磁干擾，會影響近距感測系統(tǒng)效能。解決此項問題通常采取兩種方法：

審慎選擇判斷臨界值；

妥善運用屏蔽。

或者在一個沒有LCD的系統(tǒng)中，信噪比臨界值（亦即近距感測信號與尖峰噪聲的比例）會超過5：1，噪聲與指觸臨界値就應(yīng)分別調(diào)高或調(diào)低，以達到更好的噪聲濾波效果。

結(jié)語

電容式近距傳感器為許多不同的消費性應(yīng)用產(chǎn)品帶來更便利的操作接口、更好的工業(yè)設(shè)計、以及更多的功能。此外，近距傳感器可融入許多家用產(chǎn)品與工業(yè)節(jié)能設(shè)計中。通過審慎考慮裝置的機械設(shè)計、近距感測的尺寸及設(shè)置、以及減少寄生耦合，讓近距感測系統(tǒng)的設(shè)計更容易運用。妥善地調(diào)整手觸或噪聲臨界値，加上運用平均值，可進一步改進電容式近距傳感器系統(tǒng)的效能。運用傳感器控制IC的韌體重新設(shè)定功能，就可以不必用到外部控制器I/O，建置出近距感測系統(tǒng)。